Superconducting radio frequency (SRF) technology has played a significant role in the progress of precision measurements in particle physics experiments for decades. Especially dark matter axion haloscope, which utilizes a microwave cavity (> 1 GHz) immersed in a high DC magnetic field (> 8 T), needs high quality (Q) factor superconducting cavities to enhance a scanning speed. High-temperature superconducting (HTS) rare-earth barium copper oxide (ReBCO) tapes are excellent material for realizing the high Q factor superconducting cavities for the axion search due to ultra-low RF surface resistances (< 0.1 mOhm) at high magnetic fields and high depinning frequencies (> 10 GHz). Moreover, the ReBCO surface resistance can be minimized using additional pinning center (APC) which enhances vortex pinning. The Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) successfully fabricated the three generations of HTS cavities made of biaxially-textured ReBCO tapes. The Q factor of the cavities in an 8 T magnetic field have been improved. The first generation 7 GHz prototype cavity (YBCO) showed 330,000 Q factor, and the second generation 2.3 GHz 1.5 L volume cavity (GdBCO) reached a half-million Q factor. Finally, the third generation cavities (EuBCO + APC) reached 13 million Q factor in a 8 T magnetic field. The 13 million Q factor is the highest Q factor among the SRF cavities in a multi-tesla magnetic field. In this thesis, the material selection, rf design, and fabrication procedure will be discussed. The cavity haloscope experiment with a second generation cavity in CAPP-PACE detector also will be discussed. The experiment reached the highest Q factor and the lowest system noise (~ 175 mK) among published axion haloscope searches in phase-insensitive operation using quantum-noise-limited JPA. The data analysis and the signal-to-noise ratio issue in the baseline removal will be discussed.
초전도 라디오파 기술은 지난 수 십년간 입자물리학의 정밀 측정에 있어서 중요한 역할을 담당했다. 특히 고자기장 하의 마이크로파 공진기를 사용하는 암흑물질 액시온 헤일로스코프 실험은 탐색 속도를 높이기 위해 높은 Q 인자의 공진기를 필요로 한다. 고온초전도체인 희토류-바륨-구리-산화물 (ReBCO) 테이프는 높은 자기장에서 낮은 표면저항을 가지고 있고 높은 초전도 자기소용돌이 속박 풀림 주파수를 가지고 있어 액시온 탐색을 위한 높은 Q 인자 공진기를 만들기 위한 최적의 물질이다. 또한, 희토류-바륨-구리-산화물의 표면저항은 자기소용돌이 속박을 강화하는 속박 중심을 추가함으로서 더 낮아질 수 있다. 액시온 및 극한상호작용 연구단은 3세대의 ReBO 테잎을 이용한 고온초전도 공진기를 성공적으로 제작하였다. 8\,T 자기장 하의 공진기 Q 인자는 그동안 지속적으로 향상했다. 이트륨-바륨-구리-산화물 (YBCO) 테잎을 사용한 1세대 7 GHz 프로토타입 공진기는 33만의 Q 인자를 보였고, 가돌리늄-바륨-구리-산화물 (GdBCO) 테잎을 이용한 2세대 2.3 GHz 1.5 L 부피의 공진기는 50만의 Q 인자를 보였다. 마지막으로 속박 중심이 추가된 유로퓸-바륨-구리-산화물 (EuBCO) 테잎을 이용한 3세대 캐비티로는 1300만의 Q 인자를 달성하였다. 1300만의 Q 인자는 수 테슬라 자기장 하의 초전도 라디오파 공진기가 보인 Q 인자 중에서 가장 높은 수치이다. 본 논문에서는 초전도 물질을 어떻게 평가하는지, 라디오파 디자인을 어떻게 수행했는지, 제작 과정이 어땠는지에 대해서 다룰 것이다. 2세대 공진기가 설치된 CAPP-PACE 검출기를 이용한 액시온 헤일로스코프 실험 또한 다룰 것이다. 이 실험은 신호 위상을 고려하지 않는 조셉슨 파라메트릭 증폭기 운영을 하는 액시온 헤일로스코프 실험 중에서 가장 높은 Q 인자와 가장 낮은 시스템 잡음을 달성했다. 데이터 분석과 기본선 제거 과정에서 나타나는 신호-대-잡음비 효율 문제에 대해서 다룰 것이다.
